CN100503126C - 焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法及其装置 - Google Patents

焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法及其装置 Download PDF

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焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法及其装置，该装置包括外壳，配装在外壳内腔底部的两个GMR敏感头、位于两敏感头之间的高频反射接收传感器和位于两敏感头上方的永磁体以及电路模块和配装在外壳端盖上的航空插座头组成。本发明检测方法将GMR敏感头捕捉到的焊枪与工件之间的气隙磁通量转换成电位差变化，经信号滤波、放大、单片嵌入式数据采集处理器处理获得焊枪与工件相对高度的变化量，实现焊枪悬浮高度跟踪；同时，高频发射接收传感器得到的非电物理信息转换成电信号，获得焊枪与焊缝轨迹相对偏移变化量，以便焊枪正确、可靠跟踪焊缝的目的。本发明数据处理能力强，检测精度高、抗干扰、抗冲击、体积小、性价比高。安装调试方便、实用。

Description

焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法及其装置
(一)技术领域：
本发明涉及一种传感检测方法及装置，尤其是一种非接触式、智能化、集焊缝位置检测和焊枪距离工件的相对高度的跟踪检测为一体的焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法及其实现该方法的装置。
(二)背景技术：
焊接是人们进行科研生产活动常用到的一种加工手段，为了保证焊接质量，随着焊接自动化的发展，焊缝自动跟踪显得越来越重要。人们采用编程来跟踪控制焊接过程中焊缝的运动轨迹，但由于工件的加工误差、热变形、夹具的不精确等因素，得来的轨迹也未必总是焊缝的实际位置。自动跟踪的工作原理是：由传感器检测得到的信息，经处理后用于控制执行机构，实时调整焊枪与工件的相对位置，确保焊枪的左右偏移量和悬浮高低波动量在规定的范围内，从而实现焊接过程的自动跟踪。目前能够对焊枪距离工件的相对高度跟踪检测传感器，有接触式和非接触式两种，接触式的触杆接触和电极接触，由于触杆长期与工作摩擦，会导致寿命缩短，非接触式的有电磁式、涡流式以及光学式等，这类传感器体积大、可靠性不够高，抗冲击能力差。上述传感器还有一个共同的不足，既是功能单一，能检测焊缝则不能检测焊枪距离工件的相对高度；反之能检测焊枪距离工件的相对高度的不能检测焊缝。本发明人在先申请的专利号：ZL200320116511.7、名称为永磁式巨磁磁阻焊枪与工件的相对位置检测传感器，也只能检测焊枪距离工件的相对高度。因此，发明一种既能检测焊缝，又能检测距离工件的高度的传感检测方法和实现该方法的装置，对发展高质量自动化焊接意义重大。
(三)发明内容：
本发明的目的是要向公众提供一种检测精度高、可靠性强、能同时实现焊接加工自动化过程中焊缝变化轨迹检测和焊枪与工件之间的高度跟踪检测的一种焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法及其装置。
本发明的传感检测方法在于：采用焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器同步跟踪检测焊枪与工件之间的高度和焊缝变化轨迹，具体步骤如下：
(1)信号的获取：将焊缝位置检测、焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器置于焊缝的上方，并与焊枪平行安装，能敏感出特纳级微弱磁场的GMR敏感头，随焊枪与工作之间的气隙磁通量变化而变化；同时高频反射接收传感器将电磁波发射出去，碰到工件后便会反射或折射，接收器捕捉到该回波信号；
(2)信号转换：将GMR敏感头捕捉到的焊枪与工件之间的气隙磁通量的变化转换成电位差变化；同时高频反射接收传感器捕捉到的非电物理信息转换成电信号；
(3)信号处理：将步骤(2)所捕捉到的信号分别输入到贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块两个输入端，经信号滤波、放大、单片嵌入式数据采集处理器处理可获得相应的焊枪与工件相对高度的变化量和焊枪与焊缝轨迹的相对偏移变化量，通过焊枪与工件相对高度的变化量可以控制执行机构调整范围大小，实现焊枪悬浮高度跟踪，通过焊枪与焊缝轨迹的相对偏移变化量，以便焊枪正确、可靠跟踪焊缝，达到智能化焊接的目的。
用于实现焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测方法的装置为焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪双功能传感器，主要由GMR敏感头、永磁体、高频反射接收传感器、电路模块、航空插座头和外壳组成，GMR敏感头为5×2.5mm四栅至5×10.0mm二十四栅的高技术GMR巨磁制成的敏感磁头，两个5×2.5mm四栅至5×10.0mm二十四栅的高技术GMR巨磁制成的GMR敏感头固装在外壳内腔的底部，在外壳内腔的底部两GMR敏感头之间配装有高频反射接收传感器，两永磁体分别固装在两GMR敏感头上方，距GMR敏感头6mm～10mm，电路模块为贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块，GMR敏感头的信号输出端和高频反射式接收传感器的信号输出端分别与固装在外壳内腔的贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块两个输入端连接，航空插座头固装在外壳的端盖上，贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块的输出电缆线与航空插座头连接。
本发明采用的永磁体其剩余磁感应强度为0.5×103至50×103Gs的NdFeB或SmCo永磁体。
所述的高频反射接收传感器主要由U1：ICL8038、U2：OP07和U3：OP07以及U4：LM1875器件组成，由U1：ICL8038和R1、R2、R3、R4、R5、C1元件构成正弦交流振荡器，信号由C2的输出，C2的负极与U2：OP07的第3脚连接，U2：OP07的第6脚为正弦信号的输出端与R7连接，R7的另一端与U3：OP07的第4脚连接，U3：OP07的第6脚与U4：LM1875的第1脚连接，发射器接到U4：LM1875的第4脚，即输出端。
所述贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块主要包括滤波、放大电路、单片嵌入式数据采集处理器和RS-488输出接口电路。
本发明采用了GMR巨磁敏感磁头，它的灵敏度很高，可以极容易的敏感出纳特级微弱磁场，GMR器件随焊枪与工件(母材)之间的气隙磁通量变化而变化，通过GMR上的电位差变化可获得焊枪与工件的相对高度；通过高频反射接收传感器的电平变化可以获得焊枪与焊缝轨迹的相对偏移变化量，以便焊枪正确、可靠跟踪焊缝，达到智能化焊接目的。它集焊缝位置检测和焊枪距离工件的相对高度跟踪检测敏感头和放大电路以及高精度单片数据采集系统、输出接口电路为一体，实现了焊接过程中焊缝跟踪和焊枪与工件之间相对高度跟踪的同步检测，数据处理能力强，检测精度高、抗干扰能力强、抗冲击强度高、体积小、性价比高。焊枪悬浮度高检测范围为0～15mm，焊缝宽度检测范围为0～10mm，安装调试方便、实用。
(四)附图说明：
图1是本发明的电气原理框图；
图2是本发明检测装置的主视图；
图3是本发明检测装置的侧视图；
图4为本发明检测装置的电气原理图；
图5为本发明的高频反射接收传感器的电气原理图。
图中：1.8GMR敏感头2.7永磁体3.高频反射式接收传感器4.贴装式集成运算放大电路、高精度度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块5.航空插座头6.外壳
(五)具体实施方式：
如图2所示，两GMR敏感头1和8与高频反射接收传感器3位于外壳6内腔的底部，GMR敏感头1和8由5×2.5mm四栅的巨磁磁阻GMR制成，并用高强度的橡胶剂将它牢固地粘接在衬底上。将剩余磁感应强度为0.5×103的NdFeB永磁体2和7装在GMR敏感头1和8的上方，两者之间的距离为6mm。GMR敏感头1和8的工作电源由高精度稳压模块供给，它的输出端与贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4的输入端用导线连接起来，然后再用一条四芯同轴电缆与外部连接，电缆中两根用于通信接口电路的输出，另外两根用于电源。将贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4输出的两根电缆线用焊接方法将它们固定在XS12型航空插座5上，该插座5用螺钉与外壳的端盖连接，该端盖可拆卸，端盖和外壳6也是用两颗M3的螺钉固定，电源线和信号线为1.5m长，这些引线的两端分别接在XS12型航空插座头5上，通电调试，GMR敏感头1和8工作电源为5V DC，工作电流小于10mA。高频反射接收传感器3的工作电源为±15V DC，工作电流1.0A。高频反射接收传感器3的输出与贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4的输入端连接。参数调整好之后，在壳内浇铸环氧树脂，将贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4与GMR敏感磁头1和8、高频反射接收传感器3、永磁体2和7固定为一体。
如图5所示：高频反射接收传感器3主要由U1：ICL8038、U2：OP07和U3：OP07以及U4：LM1875器件组成。U1：ICL8038和R1、R2、R3、R4、R5、C1元件构成正弦交流振荡器，信号由C2的输出，C2的负极与U2：OP07的第3脚连接，U2：OP07的第6脚为正弦信号的输出端，该端与R7连接，R7的另一端与U3：OP07的第3脚连接，U3：OP07起将来自R7的正弦信号放大的作用，信号被放大后，从U3：OP07的第6脚输出，并与U4：LM187的第1脚连接，U4：LM1875起功率放大的作用，发射器接到U4：LM187的第4脚，即输出端，发射器高频电磁发射出去，碰到物体后便会反射或折射，接收器捕捉到该回波信号，然后送贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4的输入端。
检测时：将焊缝位置检测、焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器置于焊缝的上方，GMR敏感头1能敏感出焊枪咀和被焊接位置特纳级微弱磁场，其物理特性随焊枪与工作之间的气隙磁通量变化而变化；同时高频反射接收传感器3将电磁发射出去，碰到工件后便会反射或折射，接收器捕捉到该回波信号；将焊枪悬浮高度GMR敏感头1捕捉到的焊枪与工件之间的气隙磁通量变化转换成电位差变化后，从贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4的电阻R94输入，经电容C91滤波后，再路经电阻R92流入U9：TLC4501的第2和第3端，经过U9：TLC4501放大后，从U9：TLC4501的6端输出，然后与微处理器U1：C8051F的第9引脚相连接，该信号携带的信息经U1处理后，再由该芯片的第55引脚端传输给U4：3488E芯片，最后信息从U4：3488E的5、6两引脚端输出，从而实现焊枪悬浮高度智能化检测；同时，将高频反射接收传感器3捕捉到的非电物理信息转换成电信号，从贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块4的电阻R84的一端输入，经电容C81滤波后，再经电阻R82流入U8：TLC4501的第2和3端，经过U8TLC4501放大后，从U8TLC4501的6端输出，然后与U1C8051F的第10脚相连，该信号携带的信息经U1C8051F处理，并得到偏移结果，该结果由U1C8051F的第55引脚端传输给U43488E芯片，最终经过U43488E芯片的5、6两引脚端输出，从而实现焊枪偏离焊缝中心变化程度智能化检测。
该检测方法及其传感器主要用来实现黑色金属焊接过程中焊缝跟踪和焊枪与工件之间相对高度跟踪的同步检测，达到高质量自动化焊接目的。

Claims (4)

1、一种用于焊缝位置和焊枪悬浮高度同步跟踪传感检测的焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器，包括GMR敏感头(1、8)、剩余磁感应强度为0.5×103至50×103Gs的NdFeB或SmCo永磁体(2、7)、电路模块、航空插座头(5)和外壳(6)，两个5×2.5mm四栅至5×10.0mm二十四栅的GMR巨磁制成的GMR敏感头(1、8)固装在外壳(6)内腔的底部，其特征是：在外壳(6)内腔的底部两GMR敏感头(1、8)之间配装有高频反射接收传感器(3)，两永磁体(2、7)分别固装在两GMR敏感头(1、8)上方，距GMR敏感头(1、8)6mm～10mm，电路模块为贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块(4)，GMR敏感头(1、8)的信号输出端和高频反射接收传感器(2、7)的信号输出端分别与固装在外壳(6)内腔的贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块(4)的两个输入端连接，贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块(4)的输出电缆线与固装在外壳(6)端盖上的航空插座头(5)连接。
2、根据权利要求1所述的焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器，其特征是：该传感器同步跟踪检测焊枪与工件之间的高度和焊缝变化轨迹的方法步骤如下：
(1)信号的获取：将焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器置于焊缝的上方，与焊枪平行安装；该双功能传感器中装有的能敏感出纳特级微弱磁场的GMR敏感头随焊枪与工件之间的气隙磁通量变化而变化；同时高频反射接收传感器将电磁波发射出去，碰到工件后便会反射或折射，接收器捕捉到该回波信号；
(2)信号转换：将GMR敏感头捕捉到的焊枪与工件之间的气隙磁通量的变化转换成电位差变化；同时高频反射接收传感器捕捉到的焊缝非电物理信息转换成电信号；
(3)信号处理：将步骤(2)所捕捉到的信息转换成电信号后分别输入到贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块的两个输入端，经信号滤波、放大、单片嵌入式数据采集处理器处理可获得相应的焊枪与工件相对高度的变化量和焊枪与焊缝轨迹的相对偏移变化量，通过焊枪与工件相对高度的变化量可以控制执行机构调整范围大小，实现焊枪悬浮高度跟踪，通过焊枪与焊缝轨迹的相对偏移变化量，以便焊枪正确、可靠跟踪焊缝，达到智能化焊接的目的。
3、根据权利要求1所述的焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器，其特征是：高频反射接收传感器(3)主要由U1：ICL8038、U2：OP07和U3：OP07以及U4：LM1875器件组成，由U1：ICL8038和R1、R2、R3、R4、R5、C1元件构成正弦交流振荡器，信号由C2的一端输出，C2的负极与U2：OP07的第3脚连接，U2：OP07的第6脚为正弦信号的输出端与R7连接，R7的另一端与U3：OP07的第3脚连接，U3：OP07的第6脚与U4：LM1875的第1脚连接，发射器接到U4：LM1875的第4脚，即输出端。
4、根据权利要求1所述的焊缝位置检测焊枪悬浮高度跟踪检测双功能传感器，其特征是：所述的贴装式集成运算放大电路、高精度单片数据采集系统、RS-488输出接口电路模块(4)主要包括滤波电路、放大电路、单片嵌入式数据采集处理器和RS-488输出接口电路。
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